Modified expanded polystyrene as partial substitute for lightweight concrete aggregates
Este estudio optimizó el tratamiento térmico del poliestireno expandido (EPS) para crear EPS modificado (MEPS) y encontró que, si bien la sustitución de agregados gruesos por MEPS reduce significativamente la resistencia a la compresión del concreto, reemplazar los agregados finos con hasta un 40 % de MEPS reduce eficazmente la densidad con un impacto estadísticamente insignificante en la resistencia.
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El hormigón es el material de construcción más utilizado en la Tierra, formando el esqueleto de nuestras ciudades y los cimientos de nuestros hogares. Es valorado por su capacidad para soportar cargas pesadas y resistir el fuego, pero tiene un inconveniente significativo: es increíblemente pesado. Este peso dificulta su transporte y limita su uso en ciertas estructuras donde se necesita un material más ligero. Para resolver esto, los ingenieros han buscado durante mucho tiempo formas de crear "hormigón ligero", un material que mantenga la resistencia del hormigón tradicional pero que pese significativamente menos. Una forma prometedora de lograr esto es reemplazando algunas de las piedras y la arena pesadas dentro de la mezcla con algo más ligero, como el poliestireno expandido. Este es el plástico familiar, de aspecto espumoso, utilizado en embalajes y vasos desechables. Sin embargo, el poliestireno en bruto es demasiado blando y resbaladizo para funcionar bien en el hormigón; tiende a flotar hacia la superficie y no logra adherirse al cemento. Los investigadores han descubierto que calentar el plástico cambia su estructura, haciéndolo más duro y adecuado para la construcción, pero las condiciones exactas para esta transformación habían permanecido poco claras.
Un equipo de investigadores de la Universidad Ateneo de Davao en Filipinas se propuso refinar este proceso y comprender exactamente cómo utilizar mejor este plástico modificado en el hormigón. Su trabajo comenzó abordando una pregunta simple pero pasada por alto: ¿importa el tamaño de la pieza de plástico al calentarla? Estudios previos habían utilizado a menudo un único tiempo de calentamiento para todos los tamaños de plástico, asumiendo que una pieza pequeña y un bloque grande reaccionarían de la misma manera. Los investigadores sospechaban que esto era incorrecto, razonando que un bloque más grande tardaría más tiempo en permitir que el calor viajara hasta su centro. Para probar esto, tomaron dos formas de poliestireno: cubos grandes y fragmentos triturados de varios tamaños. Colocaron estas muestras en un horno a una temperatura constante de 130 grados Celsius y las calentaron durante diferentes duraciones, que oscilaron entre cinco y veinticinco minutos. Al medir cuánto se encogió el plástico y qué tan fuerte se volvió después de enfriarse, descubrieron que el tiempo de calentamiento óptimo está, de hecho, vinculado al tamaño de la pieza. Encontraron que para las partículas más pequeñas, un tiempo más corto era suficiente, mientras que las piezas más grandes requerían una exposición más prolongada para alcanzar el mismo nivel de dureza y densidad. Esta relación les permitió crear un programa específico de calentamiento para cualquier tamaño de poliestireno para obtener los mejores resultados.
Con el proceso de calentamiento optimizado, el equipo pasó a la siguiente fase: mezclar este plástico modificado en hormigón real. Crearon una receta de hormigón estándar utilizando cemento, arena y grava, pero luego reemplazaron porciones de la arena y la grava con su plástico tratado térmicamente. Probaron una amplia gama de reemplazos, sustituyendo entre el diez y el cuarenta por ciento de la arena y la grava, tanto por separado como en combinación. El objetivo era ver cuánto plástico podía añadirse antes de que el hormigón fuera demasiado débil para ser útil. Los resultados mostraron una clara diferencia entre reemplazar la arena frente a reemplazar la grava. Cuando los investigadores sustituyeron la arena, que consiste en partículas más pequeñas, el hormigón se volvió significativamente más ligero, pero su capacidad para soportar la presión de aplastamiento se mantuvo sorprendentemente estable. Incluso con niveles altos de reemplazo, la resistencia no disminuyó drásticamente. Sin embargo, cuando reemplazaron las piedras de grava más grandes con el plástico, la resistencia del hormigón cayó bruscamente. Las piezas de plástico más grandes simplemente no podían soportar las mismas cargas que las piedras pesadas que reemplazaban.
Los investigadores también examinaron el hormigón bajo un potente microscopio para entender por qué ocurrían estos cambios. Observaron que las piezas de plástico tratadas con calor estaban llenas de diminutos agujeros, lo que las hacía porosas. Esta porosidad es lo que permitió que el hormigón fuera más ligero, ya que el plástico introdujo bolsas de aire en la mezcla sólida. El análisis confirmó que el plástico se unía razonablemente bien con la pasta de cemento, pero la debilidad inherente del plástico en comparación con la piedra natural significaba que no podía soportar cargas pesadas por sí solo. El estudio concluyó que, si bien este plástico tratado térmicamente es un excelente candidato para fabricar hormigón ligero, funciona mejor cuando se utiliza para reemplazar las partículas de arena más pequeñas en lugar de la grava más grande. Este enfoque permite a los constructores reducir el peso de una estructura sin sacrificar la resistencia necesaria para sostenerla. Los hallazgos sugieren que, mediante el control cuidadoso del proceso de calentamiento basado en el tamaño de las piezas de plástico, es posible crear un material de construcción duradero y ligero que ayude a resolver los problemas gemelos de los residuos plásticos y los materiales de construcción pesados.
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